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Capítulo 6 ./
./
PERFORACION ROTATIVA POR CORTE ./
./
./
1. INTRODUCCION
./
La perforación rotativa por corte tuvo su máximo desarrollo en la década de los años 40 en las minas americanas de carbón para el barrenado del recubrimiento y del propio mineral. Con la aplicación cre-
./
~1
./
fld
./
I
a) BOCAS
BILABIALES
./
ciente en cielo abierto de los equipos rotativos con tricono, este método ha quedado limitado al campo de las rocas blandas con diámetros generalmente pequeños o medios, en clara competencia con los sistemas de arranque directo. En trabajos subterráneos ha sido la perforación rotopercutiva la que ha relegado a los equipos rotativos a las rocas de dureza baja a media y poco abrasivas, potasas, carbón, etc. La perforación por corte en los barrenos de producción se realiza con bocas cuya estructura dispone de elementos de carburo de .tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos policristalinos, que varían en su forma y ángulo, pudiéndose distinguir los siguientes tipos: a) Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a 50 mm.
./
b) Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a 115 mm. c) Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de corte escalonado en diámetros desde 150 mm hasta 400 mm.
./
./
b) BOCAS
TRIALETAS
y
MULTIPLES
./
2. FUNDAMENTO DE LA PERFORACION POR CORTE
./
Las acciones de una boca de corte sobre la roca son, según Fish, las siguientes:
./
1.
Deformaciones elásticas por las tensiones debidas a la deflexión angular de la boca y torsión a la que se somete a la misma.
./
2.
Liberación de las tensiones de deformación, con un impacto subsiguiente del elemento de corte sobre la superficie de la roca y conminución de ésta.
3.
Incremento de tensiones en la zona de contacto boca-roca con desprendimiento de uno o varios fragmentos que una vez evacuados permiten reiniciar el nuevo ciclo. Fig. 6.2.
./
~
./
e)
BOCA
ESCARIADORA
Figura 6.1. Tipos de bocas para perforación por corte.
103
'Las experiencias realizadas por Fairhurst (1964) demuestran que. el empuje y el par de rotación sobre la boca sufren grandes variaciones debido a la naturaleza discontinua de formación de los detritus. Fig. 6.3.
La fuerza tangencial es la que vence el esfuerzo resistente de la roca frente a la rotación de la boca. El par «T,», medido en el eje del elemento de perforación, es el producto de la fuerza tangencial por el radio de la boca. El par resistente sobre el área total.de corte, suponiendo que sea una corona circular, viene dado por: 3
2
T=,
J.!
3
xErO-r¡2 ro
"-
,
3
-
2 r1
\...
---(o)
donde:
'T, J.! E ro
(b)
= = =
Par resistente. Coeficiente de fricción de la roca. Empuje sobre la boca. Radio exterior de la boca.
r 1 = Radio interior de la boca. Este par resistente es determinado por el mínimo par de la perforadora que permite penetrar la roca. Denominando «re» al radio efectivo de la boca, que se hace igual a
(e)
r
Figura
Secuencia de corte (Fish y Barker, 1956).
6.2.
'-.
=
2
rO3-r¡3
3
rO2-r¡2
-x
e
, "
,
'-..
N 667
-
1b 150
n-
EMPUJE
ARENISCA VELOCIDAD
PAR DE ROTACION
DARLEY DALE DE CORTE 229 mmJmln
la ecuación
anterior
se transforma
T, 445 U-
222
100
50
o
025 1 6
1 O
0,5 I 12 5 DISTANCIA
Figura 6.3.
'o 75 I 19 DE
Curvas de Desplazamiento de corte.
10 I 25
1 25 In I 30 mm
CORTE
J.!
x E x re.
Se deduce que si «J.!»es constante, el par es proporcional al empuje que se ejerce sobre el útil de corte. En la realidad, el coeficiente «J.1»no es constante, ya que varía con el espesor de corte y con el propio empuje. El índice que determina la penetración en la roca se obtiene por la relación entre la energía consumida por la perforadora y la energía específica de la roca. La energía total consumida por el equipo es «2¡¡N,T,», siendo «N,» la velocidad de rotación, por lo que se obtendrá:
vp
- Fuerza de una boca
=
2 x
¡¡
x N, x T,
Ev x A,
""
=
en
-
¡¡ x J.! x E x N,x
'-.
,
'-.
,
re
Ev x A,
,
donde:
La fuerza de corte es fu nción de la geoni'1;tría de la boca, la resistencia de la roca y la profundidad de corte. Esta fuerza se descompone en dos: una tangencial «N,» y otra vertical «E», Fig. 6.4.
ZJE N,
SUPERfiCIE
NUEVA
- -------------
Figura 6.4. Fuerzas que actúan sobre el útil de corte. 104
- Energía específica de la roca. ,-:- Area de la sección transversal
'del barreno.
De esta relación se deduce que la velocidad de penetración para una roca dada y para un diámetro de perforación determinado es linealmente proporcional
DETRITUS SUPERFICIE ANTIGUA
Ev A,
al empuje y a la velocidad de rotación, aunque en la práctica no es totalmente cierto, ya que como se ha indicado el coeficiente de fricción de la roca varía con el empuje. En la Fig. 6.5 se observa que existe un valor de empuje por debajo del cual no se consigue la velocidad de penetración teórica, sino un desgaste excesivo, y un valor límite que si se supera produce el agarrotamiento de la boca.
,
'
'-.
'-
./ PE RFORACION
ROTATIVA
1 O INYECTORDE AIRE (ABRASIVIDAD (D,3)
.
./ o
J
> (/)
J
I INYECTOR
ZONA DE PERFORACION ROTATIVA
CON ROTATIVA
(VARILLA
HELICOIDAL)
,
DE AGUA (ABRAS IVI DAD )0,3)'
0.9
@
0.8
2,5 m./m,n.
0,7 0.6
W O
./
0.5 0.4
(J)
W
J
0.3 0.2
J
0.1
o ./
ESCALA
../
DE DUREZA O PERFORABILlDAD
Figura 6.6. Clasificación de las rocas según su perforabilidad y abrasividad (Eimco-Secoma).
../
y = 0° a 2°
Zona I
../
./
./
Perforación
. . .
800 - 1.100 r/min.
de rotación:
Perforación
.
Tipos de roca: carbón, patas a, sal, yeso y fosfato blando.
.
Utiles: -
rJ. =
11 0°
~
125°
~ = 75° Y = 0° Yelocidades
.
Con aire húmedo las velocidades de peKétración se multiplican
de penetración por 1,5 y 2.
m/min.
../
.
Tipos de roca: caliza y bauxitas de hierro blandos.
-
80°
de agua.
.
Tipos de roca: bauxitas y calizas medias, esquistos sin cuarcitas, yesos duros y fosfatos duros.
.
Bocas de corte: rJ. = 125°
-
140°
~=
80° Y = -2° a 6° "
.
blandas,
minerales
Velocidades
D = Diámetro N, = Velocidad
E 75
con inyección
de penetración:
1 a 1,8 m/min.
9 X D2 X N, X E2
donde:
Perforación con inyección de aire húmedo.
~=
Perforación
HP, = 8,55 x 10 -
.
rJ. = 125°
12 a 18 kN.
La potencia de rotación, en Hp, necesaria para hacer girar un trépano se calcula con la fórmula siguiente:
11
Bocas de corte:
Empuje:
= 3,5 a 5 m/min.
. Empuje: 8 a 12 kN, . Velocidad de rotación: 550 a 800 r/min,
J
2 a 3,5
Velocidad de rotación: 300 a 550 r/min,
.
14°
.
.
. . .
Barrenas espirales. Bocas bilabiales.
Zona
J
de penetración:
Zona 111
en seco.
../
./
Velocidad
empuje.
Empuje: 1 a 8 kN. Velocidad
./
./
.
con poco
rotativa
~
J
=
(mm). de rotación
(r/min).
Empuje (kN).
El par de rotación necesario se determina a partir de la expresión: 105
HP251,14 N,
T, =
donde: T, = Par de rotación
3.
-
Facilita la evacuación locidad de avance.
-
Refrigera las bocas de perforación desgastes.
-
Evita el col matado
-
Elimina el polvo, lo cual es importante abrasivos.
¡ ~n_~ .IE--~
0 .~
la ve-
y disminuye
los
del barreno.
;
aire y por cada perforadora unos 250 cm j/min de agua. En rocas muy blandas de 30 a 40 MPa puede emplearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más grande sea la velocidad de penetración, para evacuar el detrito, Fig. 6.7.
! :
m_-
:
en terrenos
Según Eimco-Secoma para la inyección de aire húmedo se necesita del orden de 1.000 a 1.500 I/min de
El detrito de perforación se elimina con un fluido de barrido que puede ser aire, en los trabajos a cielo abierto, agua o aire húmedo en los trabajos de interior. Las ventajas que reporta el empleo de aire con inyección de agua son las siguientes:
T:
y aumenta
(kN.m).
EVACUACION DEL DETRITO
~
de detritus
;- c:=J¡J-
~.
¡ 1
~_m~-'
~
>-,
Fig. 6.7.
Varilla helícoidal y bocas de perforación
En la Tabla 6.2 se indican, además de las velocidades típicas de penetración en diferentes tipos de rocas. el sistema de barrido que se emplea comúnmente en la perforación de barrenos.
con distintas configuraciones.
Como puede observarse, para velocidades de penetración por debajo de 3 m/min el flui.do del barrido suele ser el agua, mientras que por encima de esa velocidad se realiza en seco o con aire húmedo.
TABLA 6.2.
VELOCIDAD
TIPO DE ROCA
DE PENETRACION
SISTEMA DE BARRIDO
(m/min) .
Yeso duro
1,5 - 2
Caliza, bauxita Pizarra
1,5
Mineral de hierro blando
'"
Yeso blando
.<1'
Fosfato, carbón, sal, potasa
4.
Agua
- 2,5
Agua
1,5 - 3 3-8
Agua o en seco Aire húmedo o en seco
3,5 - 6
Aire húmedo o en seco
3:5
Aire húmedo o en seco
- 10
UTILES DE CORTE
La eficiencia de corte de un útil depende en gran medida del diseño del mismo, de acuerdo con el tipo de roca que se desea perforar. Fig. 6.8.
El ángulo de ataque
"Cl»
varía generalmente entre
110° y 140°, siendo tanto más obtuso cuanto más dura es la roca a perforar, pues de lo contrario se produciría el astillamiento del metal duro. En ocasiones se llega a diseños El ángulo 106
con contornos
del labio de corte
80° Y el ángulo de corte «y» entre -6° y 14°, siendo positivo en rocas blandas y negativo en rocas duras. Por último, el ángulo de desahogovale 8 = 90° - ~. = y. Un punto de la boca de corte situado a una distancia "r», describe una hélice cuyo ángulo es:
redondeados. «~» varía entre 75° y
úJ = arctg
( ---E2rcr )
/
z O ()
/
/
/
Se obtiene una curva de penetración-tiempo, y a partir de ésta el índice de perforabilidad o du reza expresadaen 1/10 mm de avancey midiendo el desgaste sufrido por el útil calibrado durante 30 segundos se determina la abrasividad en décimas de mm de desgaste del borde. Las rocas se clasifican, en función de los dos parámetros, en cuatro grupos o zonas que permiten definir los métodos de perforación más adecuados. Fig. 6.6.
--"7-rLIMITE POR AGARROTAMIENTO DE LA BOCA
o
Zona I
() O
/
J W
PERDIDA DE LlNEALlDAD DEBIDA A UN DESGASTE EXCESIVO DE LA ROCA
>
Zona de dureza muy débil y de poca abrasividad. Dominio de la perforación rotativa en seco, presión pequeña. .
/
EMPUJE /
APLICADO
Figura 6.5. Relación entre el empuje y la velocidad de penetración (Fish y Baker, 1956).
'.
Zona
11
Zona de dureza débil y poca abrasividad. Dominio de rotativa en seco, o con inyección de aire a presió.n media.
/
la perforación
La velocidad de rotación está limitada por el creciente desgaste que sufren las bocas al aumentar el
/
número de revoluciones. Además de la propia abrasividad de las rocas, es necesario tener en cuenta que los ./
desga,stes aumentan conforme se aplica un empuje mayor y las fuerzas de rozamiento entre la roca y la boca se hacen más grandes. En la Tabla 6.1 se dan los empujes y velocidades de
rotación recomendados en función del diámetro de los barrenos y resistencia a compresión de la roca. Como límites prácticos de la perforación rotativa pueden fijarse dos: la resistencia a la compresión de
/
/
./
./
Zona
111
Zona de dureza media y poca abrasividad. Dominio de la perforación rotativa, empujes grandes con inyección de agua a alta presión. El empuje sobre la barrena puede llegar hasta 20 kN.
las rocas, que debe ser menor de 80 MPa, y el contenido en sílice, que debe ser inferior al 8%, pues de lo contrario los desgastes serán antieconómicos. Eimco-Secoma ha desarrollado un ensayo para medir la perforabilidad y abrasividad de las rocas. Con-
Zona IV
siste en efectuar sobre una muestra de roca un taladro con un empuje y una velocidad de rotación constantes, la boca es de carburo de tungsteno y el barrido con agua.
Los parámetros de perforación que corresponden a cada zona, para unos diámetros de perforación comprendidos entre 30 y 51 mm, son según Secoma los siguientes:
Zona de gran dureza y alta abrasividad. la roto-percusión hidráulica.
Dominio
de
./
",. ./
TABLA 6.1 ./
RESISTENCIA A COMPRESION (MPa)
EMPUJE UNITARIO (/mm)
DIAMETRO DEL BARRENO (mm)
VELOCIDAD DE GIRO
< 30 30 - 50
< 140 140 - 210
> 50
> 210
< 50 > 75 <50 > 75 <50 > 75
> 800 > 100 600 - 800 70 - 100 < 600 < 70
(r/min)
./
./
../
,
107 /
siendo «p» el avance de la boca en cada giro completo. ROTACION DE BOCA
fi{
Los diamantes actuales son estables térmicamente hasta los 1200 DCen ambientes no oxidantes y están disponibles en tamaños desde los 0,005 hasta 0,18 g (0,025 a 0,9 quilates) con formas de prismas triangulares, paralelepípedos y cilindros. --l\
°1 ORrFICIO PARA -BARRIDO CON AIRE O AGUA
4 ORIFICIOS DE BARRIDO
r
5° ANGULODE CORTE
~
X7
~I
DIAMETRO 76 mm
7 PLAQUIT AS DE DIAMANTES
CANALES DE EVACUACION DEL DETRITOS
-
(o)
Figura
6.8. Anguloscaracterísticosde un útilde corte(Fishy
PROTECCION
DE CARBURO DE TUNGSTENO O DIAMANTES
Barker, 1956). SECCIONx-x Fig. 6.10. Boca de perforación
con plaquitas
de diamante.
Además de utilizarse en trabajos de exploración en sondeos, las bocas de diamantes se usan en minería subterránea de carbón, potasa, sales y yesos para perforar barrenos de pequeño diámetro, en el rango de 35 mm a 110 mm. En muchos casos las velocidades de penetración obtenidas y las vidas de estas bocas son bastante superiores a las convencionales.
Fig.6.9.
Trayectoriade un punto de la boca (Fairhurst,1964).
Debido al movimiento de la boca a lo largo de la hélice el ángulo de desahogo efectivo es menor: ¡;=6-OO
En puntos próximos al centro de la b5ca ese ángulo efectivo es cero, ya que en esas zonas el útil comprime a la roca, de ahí que en la mayoría de los diseños exista un espacio libre en la parte central que permite conseguir mayores velocidades. A finales de los años 70 la General Electric fabricó los primeros «Diamantes Compactos PolicristalinosPDC», obtenidos a partir de una masa de partfculas muy finas de diamante sinterizadas bajo presiones extremas, y en forma de plaquitas que se montan sobre unas bases de carburo de tungsteno cementado formadas a altas presiones y temperaturas. El material compuesto resultante posee una resistencia a la abrasión excepcional con una alta resistencia del carburo de tungsteno a los impactos. 108
Foto1.
Equipo de perforación rotativa con varillaje helicoidal en una mina de potasa.
BIBLlOGRAFIA -
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'"
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